機器人常用的單片機使用經(jīng)驗

四 愛(ài)好者制作機器人首選 AVR系列單片機

1 簡(jiǎn)介

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機。高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價(jià)位一直是衡量單片機性能的重要指標，而AVR單片機是典型高性能單片機。
早期單片機，比如51單片機為了提高可靠性（防止數據誤讀或跑飛）采用較高的分頻系數對時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(cháng)，執行速度慢。例如51單片機需要12個(gè)晶振周期才能組成1個(gè)機器周期，而且很多指令需要2個(gè)機器周期才能執行。AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，采用精簡(jiǎn)指令集，取指周期短，又可預取指令，實(shí)現流水作業(yè)，故可高速執行指令。AVR單片機在12個(gè)晶振周期中能執行12條指令，從這個(gè)角度看，如果晶振頻率相同，AVR的速度是51的12倍到24倍。
AVR有32個(gè)通用寄存器，在進(jìn)行大量復雜運算時(shí)，AVR的32個(gè)寄存器可相當于51的32個(gè)累加器，克服了51系列單片機只有單一累加器數據處理造成的瓶頸現象，在復雜運算時(shí)速度比51快5倍以上。由此可看出，51與AVR相比是多么慢，AVR是多么快。
AVR系列單片機多內部集成了多路AD轉換器、電壓比較器、ISP、I2C、JTAG總線(xiàn)電路、UART串口、大功率IO口、看門(mén)狗等實(shí)用電路，并且很多AVR單片機型號有EEPROM、FLASH、SRAM三種存儲器，可以實(shí)現實(shí)時(shí)修改程序存儲器中的內容，即AVR單片機可以自己修改自己的程序。同時(shí)AVR一般能工作在寬電壓范圍（2.7～6.0V），有的居然可以在1.8V電壓下工作。以上這些性能只是AVR眾多性能中的一部分，然而已經(jīng)讓51系列單片機望塵莫及了。
如此高性能的單片機價(jià)格居然和51單片機差不多，比如ATmega8價(jià)格為8元左右，ATmega16在13元左右，這是AVR有極高性?xún)r(jià)比的真實(shí)寫(xiě)照。


2 性能
AVR家族人丁興旺，包括ATinyAVR（微小型）、低功耗類(lèi)、ATmegaAVR高中低檔5類(lèi)單片機。它們都基于同一核心技術(shù)，但在內部集成的電路多少上有不同。不論你要做電子手表還是視頻處理，都有一款合適的AVR單片機能滿(mǎn)足你的需要。
本文只列出ATmega16中檔單片機的性能：
16KB的FLASH程序存儲器；512B的EEPROM；1KB的SRAM；32個(gè)快速寄存器；32個(gè)大功率IO口；20個(gè)中斷；2個(gè)外部中斷口；有SPI、SUART、I2C總線(xiàn)接口；2個(gè)8位定時(shí)器；1個(gè)16位定時(shí)器；3個(gè)PWM通道；有實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；8個(gè)10位AD通道；電壓比較器；看門(mén)狗；內置時(shí)鐘振蕩器；JTAG接口；ISP在線(xiàn)編程；電壓范圍為2.7V-5.5V；外部時(shí)鐘晶振0-16MHz；有PID和多種貼片封裝。
AVR的IO口能輸出20mA和吸收40mA的電流，不僅可直接驅動(dòng)LED,甚至可直接驅動(dòng)微型直流減速電機。而且AVR的IO口可編程設置成輸入、輸出、高阻態(tài)狀態(tài)，是真正的3態(tài)IO口。和51相比使用AVR開(kāi)發(fā)產(chǎn)品你會(huì )發(fā)現前所未有的方便和自由。
AVR單片機可上操作系統，比如UCOS2、Linux等，自主編程實(shí)現操作系統功能也很容易。
根據任務(wù)具體需要選擇最合適的單片機，使單片機資源充分利用，使系統性?xún)r(jià)比達到最高，同時(shí)兼顧未來(lái)擴展需要，不要一味選用高性能單片機，這就是選單片機的原則。
用ARM+操作系統做超聲波測距儀——殺雞用了牛刀。用AVR中檔單片機做機器視覺(jué)——有些吃不消。如果把它們調換一下，一切就恰到好處了。

3 使用方法
學(xué)AVR單片機的好書(shū)是《AVR單片機嵌入式系統原理與應用實(shí)踐》，封面見(jiàn)下圖。
AVR一般采用CVAVR編程軟件編程，也可用GUN GCC AVR、AVR Studio軟件編程?？刹捎脜R編或C語(yǔ)言編程。燒程序前先輸出HEX文件，然后用SLISP（雙龍ISP）軟件加載，再通過(guò)ISP編程線(xiàn)或者25針并口連接線(xiàn)燒入AVR單片機，支持在線(xiàn)編程。
由于A(yíng)VR單片機最小系統很簡(jiǎn)單，就是電源+晶振（可不用）+LED+ISP接口（通電就運行，斷電就停止，不用復位電路），因此任何初學(xué)者都可以用面包板搭出AVR最小系統，并且編程實(shí)踐。
4 實(shí)踐經(jīng)驗
使用AVR單片機時(shí)注意要正確設置熔絲位，SLISP軟件就可設置，熔絲位可決定單片機是采用外部晶振還是采用內部時(shí)鐘振蕩器，如果熔絲位設置為采用外部晶振，而電路中沒(méi)有接入晶振，則AVR程序不能運行。很多初學(xué)者忽視了這一點(diǎn)，他們的AVR系統不能運行卻找不到原因。再有就是AVR的IO口在使用前需先編程設置其狀態(tài)，否則你將發(fā)現程序在運行，但IO口沒(méi)信號。


4 應用舉例




五 高級機器人控制器 ARM

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ARM是一個(gè)公司名，他們基于同一內核設計了很多高性能處理器，這些處理器都叫ARM。該技術(shù)被很多公司購買(mǎi)后生產(chǎn)出了集成很多功能電路的ARM芯片，使得ARM成為高性能單片機。ARM一般為32位單片機，適于處理大量復雜數據，很多ARM裝上了UCOS2、Windows CE、Linux操作系統，能夠同時(shí)運行多個(gè)程序。ARM廣泛應用于手機、MP3、GPS導航儀、吸塵機器人等產(chǎn)品上。


六 音頻視頻處理首選 DSP

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DSP數字信號處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)，它是一種獨特的微處理器，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。
在高速小車(chē)巡線(xiàn)、語(yǔ)音識別等領(lǐng)域DSP被廣泛應用。但如果僅用DSP檢測幾個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)、控制幾個(gè)電機顯得大材小用。